WO2003027744A1 - Sende- und empfangsanordnung für eine bidirektionale optische datenübertragung - Google Patents

Sende- und empfangsanordnung für eine bidirektionale optische datenübertragung Download PDF

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WO2003027744A1
WO2003027744A1 PCT/DE2001/003605 DE0103605W WO03027744A1 WO 2003027744 A1 WO2003027744 A1 WO 2003027744A1 DE 0103605 W DE0103605 W DE 0103605W WO 03027744 A1 WO03027744 A1 WO 03027744A1
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receiving
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transmission
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PCT/DE2001/003605
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Inventor
Nikolaus Schunk
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Infineon Technologies Ag
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4246—Bidirectionally operating package structures

Definitions

  • Designation of the invention transmitting and receiving arrangement for bidirectional optical data transmission.
  • the invention relates to a transmitting and receiving arrangement for a bidirectional optical data transmission according to the preamble of claim 1. Its preferred area of application is in the bidirectional transmission of data via plastic fibers or polymer fibers (POF fibers).
  • bidirectional optical transmission links in full-duplex operation using two separate transmission fibers.
  • transmission and reception arrangements for bidirectional optical data transmission are required, which on the one hand couple the optical power emitted by a transmission element into the transmission fiber and on the other hand couple the optical power emitted by another transmission unit out of the transmission fiber and detect it by means of a reception element.
  • bidirectional fiber transmission systems are known in which the light emitted by a laser diode is linearly polarized in one axis.
  • An optical one Proximity crosstalk is suppressed by a polarizer in front of the photodiode.
  • the reception power in the polarization direction is also disadvantageously lost, so that on average only half the reception power is detected.
  • a far crosstalk is restricted in that no connectors may be installed on the optical link and the end reflex in connection with the fiber attenuation is reduced in the backward direction to such an extent that there is a sufficient signal-to-noise ratio to the detection threshold.
  • the receiving element is disadvantageously not designed for the minimum possible receiving power.
  • the present invention is based on the object of providing a transmitting and receiving arrangement for bidirectional optical data transmission which does not have the stated disadvantages of the prior art, in particular allows an arrangement of a transmitting element and a receiving element next to one another on a substrate.
  • the solution according to the invention is characterized in that, on the one hand, a coupling lens is provided, which images optical reception power supplied via an optical waveguide onto the reception element.
  • a microlens is mounted on the transmission element, which bundles the emitted optical power of the transmission element to the front and images it on an edge region of the coupling lens, from which it is coupled into the optical waveguide.
  • the transmitting element and the receiving element are arranged side by side on a substrate.
  • the solution according to the invention thus provides for the light emitted by the transmission element to be imaged onto an edge region of the coupling lens by means of a microlens which is located on the transmission element, while the reception power is imaged by the coupling lens onto the reception element.
  • the solution according to the invention thus provides a structure for a transmission and reception arrangement in which the transmission and reception elements can be arranged next to one another on a substrate. This enables the transmitting and receiving arrangement to be manufactured in a simpler and more cost-effective manner.
  • the receiving element has a diameter which is smaller than the fiber core diameter of the coupled optical waveguide.
  • the diameter of the receiving element which is in particular a photodiode, is preferably in the region of half
  • Fiber core diameter or below This has the advantage that the photodiode capacitance is small and, in conjunction with a high transimpedance resistance of a preamplifier, a high receiver sensitivity is achieved.
  • the transmitting element is mounted on the carrier substrate at a short distance.
  • the receiving element and the transmitting element are preferably within the projected cross-sectional area of the fiber core of the coupled optical waveguide. This ensures a high degree of coupling in the coupling or decoupling of transmission or. Receiving power in the fiber core.
  • the coupling lens is an aspherical lens, ie a lens in which the lens surface is curved aspherically.
  • the coupling lens is ground flat on its side facing away from the transmitting and receiving element, so that an optical waveguide can be coupled with its end face directly to the coupling lens.
  • the use of an aspherical lens has the advantage that diverging light emerging from the fiber core of the optical waveguide can also be imaged on the receiving element in the edge regions.
  • the microlens arranged on the transmitting element preferably also has an aspherical curvature in order to be able to image the emitted light onto a limited edge region of the preferably aspherical coupling lens.
  • the coupling lens is bifocal, the coupling lens in
  • Coupling area of the optical power of the transmission element forms a second lens. This maximizes the coupling of the transmission power into the fiber.
  • the coupling lens is accordingly designed in such a way that it primarily bundles the optical reception power onto the reception element and, in a small edge area, maximally couples the transmission power of the transmission element into the fiber.
  • the coupling lens forms a short waveguide extension, which extends in the direction of the transmission element.
  • the waveguide extension is preferably provided with a converging lens at its end. Due to the short distance between the transmitting element with the microlens and the waveguide attachment, coupling losses can be kept extremely low in this exemplary embodiment.
  • the transmission filter is arranged above the receiving element.
  • the transmission filter is preferably additionally designed as a converging lens, so that received radiation is imaged even better on the receiving element.
  • an attenuation filter is preferably assigned to the receiving element, which is intended to keep light from the transmitting diode away from the receiving element.
  • the damping filter is preferably designed as a ring which is not transparent to the transmission wavelength and which is arranged around the receiving element. The ring preferably extends over a certain height in the direction of the coupling lens, and thus effectively represents a protective barrier around the receiving element. This in particular prevents direct lateral crosstalk from the transmitting element to the receiving element.
  • the ring has thickened portions, in particular in order to suppress reflected power from the front reflex or from the end face of the aspherical coupling lens.
  • the ring which is not transparent for the transmission wavelength, is preferably connected to a transparent transmission filter which is arranged on the receiving element.
  • the Transparent filter is preferably designed as a lens, which is located in front of the receiving element.
  • a second receiver element which is preferably of identical construction, is arranged or formed on the substrate immediately next to the receiver element and is covered with an optically non-transparent layer.
  • An evaluation circuit is assigned to the two receiving units, which greatly reduces or ideally eliminates electrical crosstalk by forming the difference between the respective signals. The difference evaluation is based on the fact that the second receiving element only detects interference radiation.
  • FIG. 1 shows a section through a first exemplary embodiment of a transmitting and receiving arrangement
  • Fig. ' 2a shows a plan view of a second exemplary embodiment of a transmission and reception arrangement with a transmission element and two reception elements;
  • FIG. 2b shows a top view of the exemplary embodiment of FIG. 2a, the one receiving element being covered by a transmission filter;
  • FIG. 2c the counterpart of a transmitting and receiving arrangement corresponding to the embodiment of FIG. 2b in a bidirectional transmission path;
  • Fig. 2d in plan view a third embodiment of a transmitting and receiving unit, which in use the same wavelengths can be used for the transmission and reception path, the one reception element being surrounded by a non-transparent ring;
  • Fig. 3 shows a fourth embodiment of a transmission
  • the transmitting and receiving arrangement having a bifocal coupling lens
  • Fig. 4 shows a fifth embodiment of a transmitting and receiving element in a sectional view with an alternative embodiment of a bifocal coupling lens
  • Fig. 5 shows a sixth embodiment of a transmission
  • Figure 1 shows the basic structure of the present transmission and reception arrangement.
  • a photodiode 2 serving as a receiving element is implemented in a manner known per se.
  • a transmission element 3 is arranged on the substrate 1, which is, for example, a light-emitting diode (LED, RCLED (resonant cavity LCD)) or a laser diode (in particular a VCSEL laser diode).
  • the photodiode 2 can be formed on a separate chip and arranged on the substrate 1.
  • a coupling lens 5 is provided for coupling the photodiode 2 and the transmission element 3 to the fiber core 41 of an optical fiber (not shown further).
  • the optical fiber is a plastic / polymer fiber (POF fiber) with a POF fiber core 41, which for example has a diameter of 980 ⁇ m.
  • the coupling lens 5 consists of a material which is transparent for the wavelengths under consideration. For example, it is a glass or plastic lens. It is ground flat on its side 51 facing away from the substrate 1, so that the POF fiber core 41 can couple directly to this flat surface 51 of the coupling lens 5. In principle, however, it can also be provided to introduce further beam-shaping elements or intermediate pieces between the coupling lens 5 and the POF fiber core.
  • the coupling lens 5 On its side 52 facing the substrate 1, the coupling lens 5 is formed aspherically, i. H. it has a shape deviating from the circular shape. As a result, diverging light 6 emerging from the fiber core 41 is deflected such that it only falls on the photodiode 2, whereas essentially no radiation is directed onto the transmission element 3.
  • the coupling lens 5 has alignment and receiving structures 53, which enable a passive coupling of the coupling lens 5 to a housing (not shown) which surrounds the transmitting and receiving arrangement.
  • the coupling lens 5 is preferably antireflection coated in order to minimize reflections on the coupling lens.
  • the geometric arrangement of the individual elements is such that the optical axis 7 of the fiber core 41 coincides with the optical axis of the coupling lens 5 and the axis of the photodiode 2, that is to say these elements are aligned with one another in the center. Accordingly, the transmission element 3 is located off-center next to the photodiode 2 on the substrate 1. The proportions are such that the diameter of the photodiode 2 is smaller than half the fiber core diameter. With a correspondingly small photodiode cross-sectional area, the transmitting element 3 is still within the projected cross-sectional area of the Fiber core, as will be seen with reference to Figure 2.
  • a microlens 31 is located directly on the transmitting element 3 and is likewise designed as a spherical lens.
  • the microlens 31 bundles the forward-radiated optical power of the transmission element 3 in such a way that the optical power of the transmission element 3 falls on a small edge area 54 of the coupling lens. From this edge region 54, the light emitted by the transmission element 3 is coupled into the fiber core 41, as indicated by the arrows 8.
  • the fiber is preferably a multimode fiber.
  • a transmission filter 9 is located on the photodiode 2, which has a curved surface 91 and thus additionally acts as a converging lens.
  • the transmission filter 9 is only transparent for a certain wavelength to be detected, which is coupled out of the fiber core 41. Alternatively, it filters out at least the wavelength of the transmission element 3.
  • the transmission filter 9 prevents optical crosstalk from signals emitted by the transmission element 3 onto the photodiode 2.
  • the transmission filter thus largely filters out stray light from the transmission element on the front and rear of the coupling lens 5 or reflections on fiber couplings or from the end of the transmission path. Any direct crosstalk is also prevented.
  • the transmitting element 3 emits red light, for example.
  • the photodiode receives green light, which is emitted by a transmitting element which emits green light and is arranged at the other end of the bidirectional transmission path.
  • the aspherical coupling lens 5 is such executed that the reception power at the end of the fiber transmission link is mapped optimally on the photodiode 2. With the micro lens 31, which bundles the emitted light of the transmission source directly and immediately above the emission surface of the transmission element 3, the entire radiated power is imaged on the smallest possible part of the coupling lens 4.
  • Figure 2a shows the structure of a bidirectional transmitting and receiving element in front view
  • the substrate 1 is an anisotropically etched Si substrate, in which two photodiodes 2, 22 are formed.
  • the right photodiode 22 is covered with an optically non-transparent layer.
  • the optical transmission element 3 is arranged in an oblique arrangement on the surface of the substrate 1.
  • the POF fiber core 41 according to FIG. 1 has a diameter such that the projected fiber core end face 42 has a size so that both the photodiode 2 and the optical transmission element 3 are located within this projected end face.
  • the space between the two photodiodes 2, 22 is optimally used and the optical transmission element 3 is installed as deeply as possible in the projected one
  • FIG. 2a shows the optical transmission element without a microlens.
  • the transmission element 3 is contacted via line feeds 32 and a colored wire 33, one being optically active Surface 34 emits a light signal that is modulated according to a data signal to be transmitted.
  • an aspherical microlens 31 is assigned to the optically active surface 34 of the transmission element 3.
  • a transmission filter 9 is located above and to the side of one photodiode 2.
  • the transmitting element 3 emits red light
  • the receiving element 2 detects green light
  • the transmission filter is accordingly designed as a green filter.
  • the green transmission filter 9 suppresses, as explained in relation to FIG. 1, optical crosstalk.
  • FIG. 2c corresponds to the exemplary embodiment in FIG. 2b, the associated transceiver, which is arranged on the other side of a bidirectional transmission link, being shown, which emits green light and receives red light, as indicated by the different penalty doors.
  • FIG. 2d shows a possible embodiment of the transmitting and receiving arrangement in the event that only one wavelength is used for the bidirectional data transmission.
  • the transmission filter 9 ⁇ is only designed as a transparent converging lens and can alternatively be omitted entirely.
  • a protruding light-absorbing damping ring 10 is arranged on the substrate 1, which surrounds the photodiode 2. This in particular prevents direct crosstalk from the transmitting element 3 to the receiving element 2.
  • Figure 3 shows a further embodiment of the invention, in which the aspherical lens 5 is bifocal. It is in the area in which radiation emitted by the transmission element 3 or the microlens 31 onto the Coupling lens falls, a second lens 55 ⁇ formed in the coupling lens 5 ⁇ .
  • the second lens 55 ⁇ couples the transmission powers of the transmission element 3 to a maximum in the fiber core 41 in a small area.
  • the second lens 55 ⁇ is designed inwards. However, this can be unfavorable in the case of an expanding transmission beam, since the lens becomes larger with an expanding transmission beam, and reception power is therefore increasingly lost.
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of an auxiliary lens 55, in which the auxiliary lens 55 is ⁇ outside, performed on the surface of the aspherical lens coupling. 5 Otherwise there are no differences from the exemplary embodiments in FIG. 3 or FIG. 1.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a transmitting and receiving element or transceiver, in which light is coupled in from the transmitting element 3 into the coupling lens 5 ⁇ and further into the fiber core 41 via a short waveguide attachment 56 which extends from the surface of the coupling lens 5 ⁇ ⁇ extends in the direction of the microlens 31 of the transmission element 3.
  • the waveguide extension 56 is designed at its end with a lens 56 ⁇ .
  • the transmitting element 3 should therefore be mounted on the Si substrate 1 at the most precise possible distance from the optical axis 7 and at an exactly maintained angle (cf. FIG. 2a).
  • the coupling lens should have a time marking so that the most accurate possible coupling using image-supporting methods is possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sende- und Empfangsanordnung für eine bidirektionale optische Datenübertragung, insbesondere über Plastikfaser-Lichtwellenleiter, mit einem Sendeelement und einem Empfangselement. Erfindungsgemäss sind vorgesehen: eine Koppellinse (5), die über einen Lichtwellenleiter (41) zugeführte optische Empfangsleistung auf das Empfangselement (2) abbildet, und eine auf dem Sendeelement (3) montierte Mikrolinse (31), die abgestrahlte optische Leistung des Sendeelementes (3) nach vorne bündelt und auf einen Randbereich (54) der Koppellinse (5) abbildet, von dem sie in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, wobei das Empfangselement (2) und das Sendeelement (1) nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Bezeichnung der Erfindung: Sende- und Empfangsanordnung für eine bidirektionale optische Datenübertragung.
Die Erfindung betrifft eine Sende- und Empfangsanordnung für eine bidirektionale optische Datenübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ihr bevorzugtes Einsatzgebiet liegt in der bidirektionalen Übertragung von Daten über Plastikfasern bzw. Polymerfasern (POF-Fasern) .
Es ist bekannt, bidirektionale optische Übertragungsstrecken bei Vollduplex-Betrieb durch zwei getrennte Übertragungsfasern zu realisieren. Aus Platz- und Gewichtsgründen sowie zur Minimierung der erforderlichen Teile ist es jedoch sinnvoll, für die zu übertragenen Daten in beiden Übertragungsrichtungen nur eine Übertragungsfaser zu benutzen. Hierzu sind Sende- und Empfangsanordnungen für eine bidirektionale optische Datenübertragung erforderlich, die zum einen die von einem Sendeelement ausgesandte optische Leistung in die Übertragungsfaser einkoppeln und zum anderen die von einer anderen Sendeeinheit ausgesandte optische Leistung aus der Übertragungsfaser auskoppeln und mittels eines Empfangselementes detektieren.
Weiter ist es bekannt, bidirektionale Sende- und Empfangsanordnungen einzusetzen, bei denen das Sendeelement vor dem Empfangselement angeordnet und die Empfangsdiode von einem nur für die Empfangswellenlänge transparenten Transmissionsfilter abgedeckt wird. Ein elektrisches Übersprechen zwischen Sendeelement und Empfangselement wird dabei durch eine örtliche Trennung der beiden Elemente weitgehend verhindert.
Des weiteren sind bidirektionale Faserübertragungssysteme bekannt, bei denen das von einer Laserdiode abgestrahlte Licht in einer Achse linear polarisiert ist. Ein optisches Nahnebensprechen wird durch einen Polarisator vor der Fotodiode unterdrückt. Nachteilig geht bei einem solchen System auch die Empfangsleistung in der Polarisationsrichtung verloren, so daß im Mittel nur die halbe Empfangsleistung dedektiert wird. Ein Fernnebensprechen wird dadurch eingeschränkt, daß keine Steckverbinder auf der optischen Strecke eingebaut werden dürfen und der Endreflex in Verbindung mit der Faserdämpfung in Rückwärtsrichtung so weit reduziert wird, daß ein ausreichender Störabstand zur Detektionsschwelle gegeben ist. Das Empfangselement wird dabei nachteilig nicht auf die minimal mögliche Empfangsleistung ausgelegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sende- und Empfangsanordnung für eine bidirektionale optische Datenübertragung zur Verfügung zu stellen, die ohne die angegebenen Nachteile des Standes der Technik auskommt, insbesondere eine Anordnung eines Sendeelementes und eines Empfangselementes nebeneinander auf einem Substrat ermöglicht .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sende- und Empfangsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch aus, daß zum einen eine Koppellinse vorgesehen ist, die über einen Lichtwellenleiter zugeführte optische Empfangsleistung auf das Empfangselement abbildet. Zum anderen ist auf dem Sendeelement eine Mikrolinse aufmontiert, die die abgestrahlte optische Leistung des Sendeelementes nach vorne bündelt und auf einen Randbereich der Koppellinse abbildet, von dem sie in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Das Sendeelement und das Empfangselement sind dabei nebeneinander auf einem Substrat angeordnet. Die erfindungsgemäße Lösung sieht somit vor, das von dem Sendeelement ausgestrahlte Licht mittels einer Mikrolinse, die sich auf dem Sendeelement befindet, auf einen Randbereich der Koppellinse abzubilden, während die Empfangsleistung von der Koppellinse auf das Empfangselement abgebildet wird. Auf diese Weise erfolgt eine Trennung der Sende- und Empfangsleistung trotz Anordnung von Sende- und Empfangselement nebeneinander auf einem Substrat. Die erfindungsgemäße Lösung stellt damit einen Aufbau einer Sende- und Empfangsanordnung zur Verfügung, bei dem das Sende- und das Empfangselement nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sein können. Dies ermöglicht eine einfachere und kostengünstigere Herstellung der Sende- und Empfangsanordnung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Empfangselement einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Faserkerndurchmesser des angekoppelten Lichtwellenleiters. Bevorzugt liegt der Durchmesser des Empfangselementes, bei dem es sich insbesondere um eine Fotodiode handelt, im Bereich des halben
Faserkerndurchmessers oder darunter. Dies weist den Vorteil auf, daß die Fotodiodenkapazität klein ist und in Verbindung mit einem hohen Transimpedanzwiderstand eines Vorverstärkers eine hohe Empfängerempfindlichkeit erreicht wird.
Neben dem Empfangselement ist in geringem Abstand das Sendeelement auf dem Trägersubstrat montiert. Dabei liegen das Empfangselement und das Sendeelement bevorzugt innerhalb der projizierten Querschnittsfläche des Faserkerns des angekoppelten Lichtwellenleiters. Dies gewährleistet einen hohen Kopplungsgrad bei der Ein- bzw. Auskopplung von Sendebzw. Empfangsleistung in den Faserkern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Koppellinse um eine asphärische Linse, d. h. eine Linse, bei der die Linsenfläche asphärisch gewölbt ist. Die Koppellinse ist auf ihrer dem Sende- und Empfangselement abgewandten Seite plan geschliffen, so daß ein Lichtwellenleiter mit seiner Stirnfläche unmittelbar an der Koppellinse angekoppelt werden kann. Die Verwendung einer asphärischen Linse weist den Vorteil auf, daß aus dem Faserkern des Lichtwellenleiters austretendes, divergierendes Licht auch in den Randbereichen auf das Empfangselement abgebildet werden kann.
Bevorzugt weist auch die auf dem Sendeelement angeordnete Mikrolinse eine asphärische Wölbung auf, um das abgestrahlte Licht auf einen begrenzten Randbereich der bevorzugt asphärischen Koppellinse abbilden zu können.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Koppellinse bifokal ausgebildet, wobei die Koppellinse im
Einkopplungsbereich der optischen Leistung des Sendeelementes eine zweite Linse ausbildet. Hierdurch wird die Einkopplung der Sendeleistung in die Faser maximiert . Die Koppellinse ist demnach derart ausgeführt, daß sie in erster Linie die optische Empfangsleistung auf das Empfangselement bündelt und in einem kleinen Randbereich die Sendeleistung des Sendeelementes maximal in die Faser einkoppelt.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung bildet die Koppellinse einen kurzen Wellenleiteransatz aus, der sich in Richtung des Sendeelementes erstreckt. Der Wellenleiteransatz ist dabei bevorzugt an seinem Ende mit einer Sammellinse versehen. Aufgrund der kurzen Entfernung zwischen dem Sendeelement mit der Mikrolinse und dem Wellenleiteransatz können bei diesem Ausführungsbeispiel Ankoppelverluste äußerst gering gehalten werden.
Sofern zur bidirektionalen optischen Datenübertragung unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden, wird eine unerwünschte Reflexion der Sendeleistung an den Linsenendflächen sowie an der Stirnfläche der Lichtfaser bevorzugt durch ein farbiges Transmissionsfilter, in das bezüglich der Empfangswellenlänge lichtdurchlässig ist, von dem Empfangselement ferngehalten. Das Transmissionsfilter ist dabei über dem Emfpangselement angeordnet. Durch Verwendung eines Transmissionsfilters können Störsignale soweit unterdrückt werden, daß kein Einfluß auf die Bitfehlerrate und damit die Empfängerempfindlichkeit des Empfangselementes besteht.
Bevorzugt ist das Transmissionsfilter zusätzlich als Sammellinse ausgebildet, so daß empfangene Strahlung noch besser auf das Empfangselement abgebildet wird.
Sofern die Sende- und Empfangsanordnung Lichtsignale gleicher Wellenlänge für die bidirektionale Datenübertragung verwendet, so ist dafür zu sorgen, daß kein oder nur sehr geringfügig direktes Licht oder Streulicht des Sendeelementes auf das Empfangselement überspricht. Hierzu ist dem Empfangselement bevorzugt ein Dämpfungsfilter zugeordnet, der Licht der Sendediode von dem Empfangselement fernhalten soll. Das Dämpfungsfilter ist dabei bevorzugt als für die Sendewellenlänge nicht transparenter Ring ausgebildet, der um das Empfangselement herum angeordnet ist. Der Ring erstreckt sich dabei bevorzugt über eine bestimmte Höhe in Richtung der Koppellinse, stellt somit gewissermaßen einen Schutzwall um das Empfangselement dar. Dadurch wird insbesondere ein direktes seitliches Übersprechen vom Sendeelement zum Empfangselement verhindert.
Weiter kann vorgesehen sein, daß der Ring in Teilbereichen Verdickungen aufweist, insbesondere um reflektierte Leistungen vom Frontreflex bzw. von der Endfläche der asphärischen Koppellinse zu unterdrücken.
Der' für die Sendewellenlänge nicht transparente Ring ist bevorzugt mit einem transparenten Transmissionsfilter verbunden, das auf dem Empfangselement angeordnet ist. Das transparente Filter ist dabei bevorzugt als Linse ausgebildet, die sich vor dem Empfangselement befindet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist unmittelbar neben dem Empfangselement ein bevorzugt baugleiches zweites Empfangselement auf dem Substrat angeordnet oder in diesem ausgebildet, das mit einer optisch nicht transparenten Schicht abgedeckt ist. Dabei ist den beiden Empfangseinheiten eine AuswertSchaltung zugeordnet, die durch Differenzbildung der jeweiligen Signale das elektrische Übersprechen sehr stark reduziert bzw. idealerweise eliminiert. Die Differenzauswertung beruht darauf, daß das zweite Empfangselement ausschließlich Störstrahlung detektiert.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sende- und Empfangsanordnung;
Fig.' 2a eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sende- und Empfangsanordnung mit einem Sendeelement und zwei Empfangselementen;
Fig. 2b in Draufsicht das Ausführungsbeispiel der Fig. 2a, wobei das eine Empfangselement von einem Transmissionsfilter abgedeckt ist;
Fig. 2c das dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2b entsprechende Gegenstück einer Sende- und Empfangsanordnung bei einer bidirektionalen Übertragungsstrecke;
Fig. 2d in Draufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sende- und Empfangseinheit, die bei Verwendung gleicher Wellenlängen für den Sende- und Empfangspfad einsetzbar ist, wobei das eine Empfangselement von einem nicht transparenten Ring umgeben ist;
Fig. 3 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Sende- und
Empfangselementes in Schnittdarstellung, wobei die Sende- und Empfangsanordnung eine bifokale Koppellinse aufweist;
Fig. 4 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Sende- und Empfangselementes in Schnittdarstellung mit einer alternativen Ausgestaltung einer bifokalen Koppellinse und
Fig. 5 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Sende- und
Empfangsanordnung in Schnittdarstellung, wobei eine Koppellinse einen Wellenleiteransatz ausbildet.
Figur 1 zeigt den grundlegenden Aufbau der vorliegenden Sende- und Empfangsanordnung. In einem bevorzugt aus Silizium bestehendes Substrat 1 ist eine als Empfangselement dienende Fotodiode 2 in an sich bekannterweise realisiert. Neben der Fotodiode 2 ist ein Sendeelement 3 auf dem Substrat 1 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode (LED, RCLED (Resonant Cavity LCD) ) oder eine Laserdiode (insbesondere eine VCSEL-Laserdiode) handelt. Alternativ kann die Fotodiode 2 auf einem gesonderten Chip ausgebildet und auf dem Substrat 1 angeordnet sein.
Zur Kopplung der Fotodiode 2 und des Sendeelementes 3 mit dem Faserkern 41 einer nicht weiter dargestellten optischen Faser ist eine Koppellinse 5 vorgesehen. Bei der optischen Faser handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Plastik/Polymerfaser (POF-Faser) mit einem POF-Faserkern 41, der beispielsweise einen Durchmesser von 980 μm aufweist. Die Koppellinse 5 besteht aus einem für die betrachteten Wellenlängen transparenten Material. Es handelt sich beispielsweise um eine Glas- oder Plastiklinse. Sie ist auf ihrer dem Substrat 1 abgewandten Seite 51 plan geschliffen, so daß der POF-Faserkern 41 unmittelbar an diese ebene Fläche 51 der Koppellinse 5 ankoppeln kann. Grundsätzlich kann jedoch auch vorgesehen sein, zwischen die Koppellinse 5 und den POF-Faserkern weitere strahlformende Elemente oder Zwischenstücke einzubringen.
Auf ihrer dem Substrat 1 zugewandten Seite 52 ist die Koppellinse 5 asphärisch ausgebildet, d. h. sie weist eine von der Kreisform abweichende Form auf. Hierdurch wird aus dem Faserkern 41 austretendes, divergierendes Licht 6 derart abgelenkt, daß es ausschließlich auf die Fotodiode 2 fällt, dagegen im wesentlichen keine Strahlung auf das Sendeelement 3 gelenkt wird.
An seinem Umfang bzw. Rand weist die Koppellinse 5 Ausricht- und Aufnahmestrukturen 53 auf, die eine passive Ankopplung der Koppellinse 5 an ein Gehäuse (nicht dargestellt) ermöglichen, das die Sende- und Empfangsanordnung umgibt.
Die Koppellinse 5 ist bevorzugt antireflexbeschichtet, um Relexionen an der Koppellinse zu minimieren.
Die geometrische Anordnung der einzelnen Elemente ist derart, daß die optische Achse 7 des Faserkerns 41 mit der optischen Achse der Koppellinse 5 und der Achse der Fotodiode 2 übereinstimmt, diese Elemente also mittig aufeinander ausgerichtet sind. Dementsprechend befindet sich das Sendeelement 3 außermittig neben der Fotodiode 2 auf dem Substrat 1. Die Größenverhältnisse sind dabei derart, daß der Durchmesser der Fotodiode 2 kleiner ist als der halbe Faserkerndurchmesser. Bei entsprechend kleiner Fotodiodenguerschnittsflache befindet sich das Sendeelement 3 dabei noch innerhalb der projizierten Querschnittsfläche des Faserkerns, wie noch an Hand der Figur 2 ersichtlich sein wird.
Auf dem Sendeelement 3 befindet sich unmittelbar eine Mikrolinse 31, die ebenfalls als sphärische Linse ausgebildet ist. Die Mikrolinse 31 bündelt die nach vorn abgestrahlte optische Leistung des Sendeelementes 3 derart, daß die optische Leistung des Sendeelementes 3 auf einen kleinen Randbereich 54 der Koppellinse fällt. Von diesem Randbereich 54 wird das von dem Sendeelement 3 ausgestrahlte Licht wie durch die Pfeile 8 angedeutet in den Faserkern 41 eingekoppelt .
Die Faser bevorzugt ist eine Multimode-Faser.
Auf der Fotodiode 2 befindet sich ein Transmissionsfilter 9, das eine gewölbte Fläche 91 aufweist und damit zusätzlich als Sammellinse wirkt. Das Transmissionsfilter 9 ist nur für eine bestimmte, zu detektierende Wellenlänge, die aus dem Faserkern 41 ausgekoppelt wird, durchlässig. Alternativ filtert sie zumindest die Wellenlänge des Sendeelements 3 heraus .
Durch das Transmissionsfilter 9 wird ein optisches Übersprechen von dem Sendeelement 3 ausgesandter Signale auf die Fotodiode 2 verhindert. So filtert das Transmissionsfilter Streulicht des Sendeelementes an der Vorderseite und Hinterseite der Koppellinse 5 oder Reflexionen an Faserkopplungen oder vom Ende der Übertragungsstrecke weitgehend heraus. Auch ein eventuelles direktes Übersprechen wird verhindert.
Das Sendeelement 3 sendet beispielsweise rotes Licht aus. Dagegen empfängt die Fotodiode grünes Licht, das von einem an dem anderen Ende der bidirektionalen Übertragungsstrecke angeordneten, grünes Licht aussendenden Sendeelementes ausgestrahlt wird. Die asphärische Koppellinse 5 ist derart ausgeführt, daß die Empfangsleistung am Ende der Faser- Übertragungsstrecke optimal auf die Fotodiode 2 abgebildet wird. Mit der Mikrolinse 31, die direkt und unmittelbar über der Esmissionsflache des Sendeelementes 3 das emittierte Licht der Sendequelle bündelt, wird die gesamte abgestrahlte Leistung auf einen möglichst kleinen Teil der Koppellinse 4 abgebildet .
Figur 2a zeigt den Aufbau eines bidirektionalen Sende- und Empfangselementes in Frontansicht, wobei der
Transmissionsfilter noch nicht dargestellt ist. Das Substrat 1 ist ein anisotropgeätztes Si-Substrat, in dem zwei Fotodioden 2, 22 ausgebildet sind. Die rechte Fotodiode 22 ist dabei mit einer optisch nicht transparenten Schicht abgedeckt. Durch Auswertung der Differenz der von den beiden Fotodioden 2, 22 detektierten Signale können durch ungewünschte Störstrahlung verursachte Störsignale erkannt und mittels einer Differenzschaltung von dem Nutzsignal entfernt werden. Somit wird das elektrische Übersprechen sehr stark reduziert.
Das optische Sendeelement 3 ist in schräger Anordnung auf der Oberfläche des Substrats 1 angeordnet. Der POF-Faserkern 41 gemäß Figur 1 weist einen Durchmesser derart auf, daß die projizierte Faserkernstirnfläche 42 eine Größe besitzt, so daß sich sowohl die eine Fotodiode 2 als auch das optische Sendeelement 3 innerhalb dieser projizierten Stirnfläche befinden.
Durch Anordnung der optischen Sendequelle 3 schräg auf dem Substrat 1 wird der Platz zwischen den beiden Fotodioden 2, 22 optimal ausgenutzt und ein möglichst tiefer Einbau des optischen Sendeelementes 3 in die projizierte
Faserkernstirnfläche 42 erreicht. Figur 2a zeigt das optische Sendeelement noch ohne Mikrolinse. Über Leitungszuführungen 32 und einen Buntdraht 33 wird das Sendeelement 3 nach an sich bekannterweise kontaktiert, wobei eine optisch aktive Fläche 34 ein Lichtsignal abstrahlt, das gemäß einem zu übertragenden Datensignal moduliert ist.
Gemäß Figur 2b ist der optischen aktiven Fläche 34 des Sendeelementes 3 eine asphärische Mikrolinse 31 zugeordnet. Gleichzeitig befindet sich oberhalb und seitlich der einen Fotodiode 2 ein Transmissionsfilter 9. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sendet das Sendeelement 3 rotes Licht aus, während das Empfangselement 2 grünes Licht delektiert und der Transmissionsfilter dementsprechend als Grünfilter ausgebildet ist. Der grüne Transmissionsfilter 9 unterdrückt dabei, wie im Bezug auf Figur 1 erläutert, ein optisches Übersprechen .
Das Ausführungsbeispiel der Figur 2c entspricht dem Ausführungsbeispiel der Figur 2b, wobei der zugehörige, auf der anderen Seite einer bidirektionalen Übertragungsstrecke angeordnete Transceiver dargestellt ist, der grünes Licht aussendet und rotes Licht empfängt, wie durch die unterschiedlichen Straffüren angedeutet.
Die Figur 2d zeigt eine mögliche Ausbildung der Sende- und Empfangsanordnung für den Fall, daß für die bidirektionale Datenübertragung nur eine Wellenlänge verwendet wird. Das Transmissionsfilter 9λ ist für diesen Fall lediglich als transparente Sammellinse ausgebildet und kann alternativ ganz wegfallen. Um ein optisches Übersprechen direkt von dem Sendeelement 3 auf die Fotodiode 2 zu verhindern, ist ein abstehender lichtabsorbierender Dämpfungsring 10 auf dem Substrat 1 angeordnet, der die Fotodiode 2 umgibt. Dadurch wird insbesondere ein direktes Übersprechen vom Sendeelement 3 auf das Empfangselement 2 verhindert.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die asphärische Linse 5 bifokal ausgebildet ist. Dabei ist in dem Bereich, in dem von dem Sendeelement 3 bzw. der Mikrolinse 31 ausgestrahlte Strahlung auf die Kopplungslinse fällt, eine Zweitlinse 55 Λ in der Koppellinse 5Λ ausgebildet. Die Zweitlinse 55 λ koppelt in einem kleinen Bereich die Sendeleistungen des Sendeelements 3 maximal in den Faserkern 41 ein. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist die Zweitlinse 55 Λ dabei nach innen ausgeführt. Dies kann bei sich aufweitendem Sendestrahl jedoch ungünstig sein, da die Linse mit sich aufweitendem Sendestrahl um so größer wird und damit zunehmend Empfangsleistung verlorengeht.
Figur 4 zeigt eine alternative Ausbildung einer Zusatzlinse 55, , bei der die Zusatzlinse 55 Λ außen auf der Oberfläche der asphärischen Koppellinse 5, ausgeführt ist. Ansonsten ergeben sich keine Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen der Figur 3 bzw. Figur 1.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sende- und Empfangselementes bzw. Transceivers, bei der eine Lichteinkopplung von dem Sendeelement 3 in die Koppellinse 5 Λ und weiter in den Faserkern 41 über einen kurzen Wellenleiteransatz 56 erfolgt, der sich von der Oberfläche der Koppellinse 5 Λ Λ in Richtung der Mikrolinse 31 des Sendeelementes 3 erstreckt. Der Wellenleiteransatz 56 ist dabei an seinem Ende mit einer Linse 56 Λ ausgeführt.
Aufgrund der kurzen Entfernung zwischen Mikrolinse 31 und dem Wellenleiteransatz 56 können die Ankoppelverluste sehr gering gehalten werden. Einhergehend mit dem besseren Koppelwirkungsgrad steigen jedoch auch die Anforderungen an die Koppelgenauigkeit. Das Sendeelement 3 sollte daher in möglichst präzisem Abstand zur optischen Achse 7 und mit einem genau eingehaltenen Winkel auf dem Si-Substrat 1 aufmontiert werden (vgl. Figur 2a). Zusätzlich sollte die Koppellinse eine Uhrzeitmarkierung aufweisen, damit eine möglichst genaue Kopplung unter Verwendung bildunterstützender Verfahren möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Sende- und Empfangsanordnung für eine bidirektionale optische Datenübertragung, insbesondere über Plastikfaser- Lichtwellenleiter, mit einem Sendeelement und einem Empfangselement,
gekennzeichnet durch
eine Koppellinse (5), die über einen Lichtwellenleiter (41) zugeführte optische Empfangsleistung auf das Empfangselement (2) abbildet und eine auf dem Sendeelement (3) montierte Mikrolinse (31) , die abgestrahlte optische Leistung des Sendeelementes (3) nach vorne bündelt und auf einen Randbereich (54) der Koppellinse (5) abbildet, von dem sie in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, wobei das Empfangselement (2) und das Sendeelement (1) nebeneinander auf einem Substrat (1) angeordnet sind.
2. Sende- und Empfangsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangselement (2) einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Faserkerndurchmesser des angekoppelten Lichtwellenleiters, insbesondere kleiner oder gleich dem halben Faserkerndurchmesser ist.
3. Sende- und Empfangsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeelement (3) unmittelbar neben dem Empfangselement (2) angeordnet ist und sich beide innerhalb der projizierten Querschnittsfläche (42) des Faserkerns (41) des angekoppelten Lichtwellenleiters befinden .
4. Sende- und Empfangsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppellinse (5) eine asphärische Linse ist.
5. Sende- und Empfangsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinse (31) eine asphärische Linse ist.
6. Sende- und Empfangsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppellinse (5 , 5 Λ) bifokal ausgebildet ist, wobei die Koppellinse im Einkoppelbereich der optischen Leistung des Sendeelementes eine Zweitlinse { 55 55 Λ ) ausbildet.
7. Sende- und Empfangsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppellinse (5,Λλ) einen kurzen Wellenleiteransatz (56) ausbildet, der sich in Richtung des Sendeelements erstreckt.
8. Sende- und Empfangsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiteransatz (56) an seinem dem Sendeelement (3) zugewandten Ende eine Linse (56 ) aufweist .
9. Sende- und Empfangsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sende- und Empf ngsanordnung Licht einer ersten Wellenlänge aussendet und Licht einer zweiten Wellenlänge empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Empfangselement (2) ein Transmissionsfilter (9) angeordnet ist, der für Licht der ersten Wellenlänge nicht transparent ist.
10. Sende- und Empfangsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsfilter (9) gleichzeitig eine Sammellinse ist bzw. aufweist.
11. Sende- und Empfangsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Sendeelement (3) ausgesandte Licht grünes Licht oder rotes Licht, das vom Empfangselement (2) empfangene Licht rotes Licht oder grünes Licht und der Transmissionsfilter (9) ein Rotfilter oder ein Grünfilter ist.
12. Sende- und Empfangsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Sende- und Empfangsanordnung Licht der gleichen Wellenlänge aussendet und empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfangselement ein Dämpfungsfilter (10) zugeordnet ist, der das Empfangselement (2) vor von dem Sendelement (3) ausgesandtem Licht schützt.
13. Sende- und Empfangsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter als für die Sendewellenlänge nicht transparenter Ring (10) ausgebildet ist, der um das Empfangselement (2) angeordnet ist.
14. Sende- und Empfangsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (10) sich in Richtung der Koppellinse (5) erstreckt.
15. Sende- und Empfangsanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (10) mit einer transparenten Linse (9 ) verbunden ist, die auf dem Empfangselement (2) angeordnet ist.
16. Sende- und Empfangsanordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar neben dem Empfangselement (2) ein zweites Empfangselement (22) auf dem Substrat (1) angeordnet ist, das mit einer optisch nicht transparenten Schicht abgedeckt ist, wobei den beiden Empfangselementen (2, 22) eine Auswertschaltung zugeordnet ist, die durch Differenzbildung der jeweiligen Signale Störsignale herausfiltert.
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